賈 勇， 倪銘徽， 吳慕云， 秦富鴻， 劉明哲

（成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，牛津布魯克斯學(xué)院），成都 610059）

0 引 言

正交振幅調(diào)制技術(shù)（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控技術(shù)，即信號(hào)的振幅和相位作為兩個(gè)獨(dú)立參量同時(shí)受到調(diào)制。其應(yīng)用范圍非常之廣，囊括了移動(dòng)通信、有線電視傳輸、數(shù)字視頻廣播衛(wèi)星通信（Bigital Video Broadcasting-Satellite，DVB-S）、軟件無(wú)線電［1-2］應(yīng)用等領(lǐng)域。QAM技術(shù)具有帶寬占用小、信噪比要求低的優(yōu)勢(shì)，賦予了該技術(shù)在帶寬資源并不寬裕的移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)域更大的發(fā)揮空間［1］。作為通信工程實(shí)踐中極為重要的課題，以FPGA平臺(tái)為基礎(chǔ)的QAM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有助于通信硬件體系的完善和深入研究［3］。近年來(lái)，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，QAM技術(shù)也在第5代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的運(yùn)用，如5G波形設(shè)計(jì)中的濾波器組多載波信號(hào)（FBMC）和多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）［4-5］。

作為現(xiàn)代調(diào)制、解調(diào)技術(shù)之一的正交振幅調(diào)制技術(shù)，過(guò)程復(fù)雜、原理煩瑣，就教學(xué)中理論掌握的效果而言，只有開(kāi)展有關(guān)實(shí)驗(yàn)才能使其鞏固和優(yōu)化［6］。目前的通信仿真模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，Matlab／Simulink等程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言得到普遍的應(yīng)用［7-8，10］，同時(shí)也有諸如利用LabVIEW、SystemView平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?-14］。但是相比較LabVIEW而言，Matlab等程序語(yǔ)言在程序設(shè)計(jì)時(shí)門(mén)檻相對(duì)較高、代碼缺乏直觀性，由此帶來(lái)模型建立上的不便。LabVIEW在搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，圖形化編程方式和過(guò)程透明化展示都極大地提升了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試的效率和理論教學(xué)的效果，更有利于對(duì)QAM技術(shù)的深入了解［15-16］。設(shè)計(jì)［14］在利用LabVIEW進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)缺乏更為完整的通信過(guò)程，本設(shè)計(jì)對(duì)通信系統(tǒng)的全過(guò)程均進(jìn)行了模擬和設(shè)置，有利于在教學(xué)時(shí)加深QAM通信的流程與框架概念。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總程序圖

正交振幅調(diào)制、解調(diào)通信是指基帶的碼元信號(hào)按照一定的規(guī)則進(jìn)行同相（In-phase，I路）與正交（Quadrate，Q路）兩路的分組映射，分別調(diào)制由同頻載波產(chǎn)生、有90°相位差的2個(gè)余弦載波，經(jīng)過(guò)疊加后從發(fā)射端送入信道；在接收端利用同相同頻載波對(duì)信號(hào)解調(diào)、正交逆映射，最終得到原始碼元信號(hào)的通信過(guò)程。本設(shè)計(jì)依照正交振幅調(diào)制、解調(diào)的全部通信過(guò)程，由基帶信號(hào)生成、調(diào)制、信道加噪、解調(diào)和基帶信號(hào)恢復(fù)等模塊構(gòu)成，并可實(shí)現(xiàn)16 QAM和64 QAM的切換，以及用戶自定義基帶信號(hào)的輸入。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基帶信號(hào)生成

“序列發(fā)生”子vi如圖2所示。基帶信號(hào)可以由用戶輸入，也可以選擇遍歷星座圖上的所有點(diǎn)，用于將輸入的碼元數(shù)組擴(kuò)展為基帶信號(hào)波形數(shù)組以參與調(diào)制。其中，參數(shù)“采樣率”與“碼速率”的商為“單個(gè)二進(jìn)制碼的長(zhǎng)度（點(diǎn)數(shù)）”?！拜斎胄蛄小睘殡x散的二進(jìn)制數(shù)組，為形成波形必須進(jìn)行數(shù)組的擴(kuò)充。

圖2 “序列發(fā)生”子vi程序圖

“基帶信號(hào)生成”部分如圖3所示，由2個(gè)開(kāi)關(guān)控制，其中“星座圖測(cè)試開(kāi)關(guān)”用于切換針對(duì)當(dāng)前調(diào)制方式（16QAM或64QAM）星座圖全部狀態(tài)的遍歷和用戶自定義二進(jìn)制碼的輸入，“16／64QAM”用于切換QAM的調(diào)制方式。最終生成的基帶信號(hào)波形由“示波器”vi輸出和展示。

2.2 調(diào)制

基帶信號(hào)波形由此處開(kāi)始參與調(diào)制。調(diào)制由“正交映射”“正交載波發(fā)生”和“調(diào)制波形生成”3個(gè)部分組成。

（1）正交映射?！罢挥成洹辈糠秩鐖D4所示。

圖3 “基帶信號(hào)生成”部分程序圖

圖4 “正交映射”部分程序圖

雖同為QAM調(diào)制，但16QAM和64QAM在進(jìn)制數(shù)方面略有不同，需分別設(shè)計(jì)映射方式。其中16QAM和64QAM映射方式的子vi分別如圖5、6所示。

以16QAM正交映射為例，基帶信號(hào)數(shù)組以4個(gè)二進(jìn)制bit為1組的形式進(jìn)行拆分，其中前2 bit對(duì)應(yīng)正交Q路，星座圖上對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)；后2 bit對(duì)應(yīng)同相I路，星座圖上對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)。最終得到IQ2路映射后的基帶信號(hào)數(shù)組。同理，64QAM以6個(gè)二進(jìn)制bit為1組進(jìn)行對(duì)半拆分。在具體實(shí)踐過(guò)程中，利用LabVIEW的公式節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。

在完成正交映射后，新生成的基帶信號(hào)數(shù)組依照前述“采樣率”和“碼速率”參數(shù)拓展為基帶信號(hào)波形數(shù)組。

（2）正交載波發(fā)生?！罢惠d波發(fā)生”部分及其附屬子vi展開(kāi)如圖7所示。為實(shí)現(xiàn)正交振幅調(diào)制，其IQ兩路載波在相位上存在90°的差。其中，參數(shù)“采樣點(diǎn)數(shù)”為了調(diào)試測(cè)試方便，設(shè)置為單個(gè)周期點(diǎn)數(shù)的整數(shù)倍。單個(gè)周期內(nèi)的點(diǎn)數(shù)為參數(shù)“載波采樣率”與“載波頻率”之商。振幅設(shè)置為1 V。調(diào)用LabVIEW自帶的正弦波子vi，輸入前述參數(shù)，生成兩路正交載波波形數(shù)組。

圖5 “16QAM正交映射”子vi展開(kāi)程序圖

圖6 “64QAM正交映射”子vi展開(kāi)程序圖

圖7 “正交載波發(fā)生”部分展開(kāi)程序圖

（3）調(diào)制波形生成。“調(diào)制波形生成”部分如圖8所示。此處是QAM調(diào)制部分的最后一步，將載波和基帶信號(hào)按照QAM調(diào)制的規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，即I路映射后基帶信號(hào)與對(duì)應(yīng)I路載波之積同Q路映射后基帶信號(hào)與對(duì)應(yīng)Q路載波之積相減；同時(shí)輸出調(diào)制完成后的波形。

圖8 “調(diào)制波形生成”部分程序圖

2.3 加噪

“信道加噪”部分如圖9所示。為實(shí)現(xiàn)信道狀況的簡(jiǎn)單模擬，在QAM調(diào)制完成后的波形中加入高斯白噪聲，其中噪聲的功率由“高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)差”參數(shù)決定。

圖9 “信道加噪”部分程序圖

2.4 解調(diào)

正交振幅調(diào)制的解調(diào)方法是相干載波解調(diào)法。本設(shè)計(jì)使用與信源同源的兩路正交載波作為相干解調(diào)所需的載波參與運(yùn)算，其相乘結(jié)果經(jīng)濾波、抽樣判決、正交逆映射后得到復(fù)原的原始信號(hào)。

（1）相干解調(diào)?！跋喔山庹{(diào)與濾波”部分如圖10所示。

圖10 “相干解調(diào)與濾波”部分程序圖

同源載波與調(diào)制信號(hào)相乘后會(huì)產(chǎn)生高頻分量與直流分量，此時(shí)的直流分量為所需信號(hào)波形。將相乘后的信號(hào)通過(guò)巴特沃斯濾波器以濾除高頻分量。其中，巴特沃斯濾波器為L(zhǎng)abVIEW自帶子vi，由參數(shù)“濾波器階數(shù)”和“截止頻率”決定。由于直流分量的幅值經(jīng)相乘后為原先的一半，且Q路在QAM調(diào)制過(guò)程中產(chǎn)生了反相，故將兩路信號(hào)振幅均擴(kuò)大為原來(lái)2倍，并對(duì)Q路信號(hào)取反運(yùn)算。

（2）抽樣判決?！俺闃优袥Q”部分及其附屬子vi展開(kāi)如圖11所示。

由相干解調(diào)和濾波而來(lái)的2路正交信號(hào)，一方面輸出為星座圖以供QAM參數(shù)的調(diào)試，另一方面經(jīng)過(guò)抽樣判決，獲得2路正交基帶信號(hào)。由于使用了數(shù)組作為載體，通過(guò)取正交碼元寬度的數(shù)組中位值并四舍五入取整后，得到正交基帶信號(hào)數(shù)組。在抽樣判決子vi中，參數(shù)“數(shù)組輸入”為前級(jí)數(shù)組；參數(shù)“碼元寬度”與“基帶信號(hào)生成”中的“碼元寬度（點(diǎn)數(shù)）”同源；“碼元擴(kuò)展倍數(shù)”為由QAM方式?jīng)Q定：16QAM時(shí)為“碼元擴(kuò)展倍數(shù)”為“4”，64QAM時(shí)為“6”。

（3）正交逆映射。16QAM和64QAM的“正交逆映射”子vi展開(kāi)分別如圖12、13所示。前級(jí)雙路正交碼元數(shù)組送入“正交逆映射”部分后，同樣利用公式節(jié)點(diǎn)的方法處理，并且合并形成二維數(shù)組，送入下一級(jí)“信號(hào)復(fù)原與輸出”處理。

2.5 信號(hào)復(fù)原與輸出

由前級(jí)所得二維數(shù)組進(jìn)入如圖14所示的“信號(hào)復(fù)原與輸出”部分。前級(jí)經(jīng)過(guò)正交逆映射得到的數(shù)組展開(kāi)為一維數(shù)組，得到與信源相同的基帶信號(hào)碼。

圖11 “抽樣判決”部分及其附屬子vi展開(kāi)程序圖

圖12 16QAM逆映射子vi程序圖

圖13 64QAM逆映射子vi程序圖

2.6 系統(tǒng)前面板

系統(tǒng)前面板主要是對(duì)QAM系統(tǒng)流程中各個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)波形進(jìn)行展示，使得系統(tǒng)通信過(guò)程清晰明了，便于參數(shù)的調(diào)試。主要設(shè)計(jì)的展示模塊有：“基帶信號(hào)”“星座圖”“QAM調(diào)制波形”“QAM調(diào)制波形功率譜”“接收端輸出序列”以及調(diào)制系統(tǒng)過(guò)程中的其他信號(hào)波形。

3 分析測(cè)試

為對(duì)本系統(tǒng)的16QAM、64QAM兩種調(diào)制方式進(jìn)行驗(yàn)證，需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行一定調(diào)整，合適的系統(tǒng)參數(shù)能完備地展示QAM調(diào)制的全過(guò)程。不同測(cè)試目的，需使用不同的系統(tǒng)參數(shù)。

圖14 “信號(hào)復(fù)原”部分程序圖

3.1 以用戶自定義輸入進(jìn)行測(cè)試

將“星座圖測(cè)試”開(kāi)關(guān)置于關(guān)閉狀態(tài)。為便于16QAM和64QAM的即時(shí)切換對(duì)比，本文選擇輸入碼為24 bit“100100111001101011010011”?；鶐盘?hào)部分，“碼速率”設(shè)置為300 bit／s，“采樣率”為37 150 point／s，此時(shí)碼元寬度為124 point／bit；“載頻”為250 Hz，“載波采樣率”為10 000 point／s，此時(shí)每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)為40 point。設(shè)置“采樣點(diǎn)數(shù)”為周期采樣點(diǎn)數(shù)的75倍。切換開(kāi)關(guān)“16／64QAM”以測(cè)試不同進(jìn)制下的QAM調(diào)制效果。

以16QAM為例，基帶信號(hào)波形如圖16所示，調(diào)制后的QAM波形如圖17所示，功率譜如圖18所示。

為實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)，需要設(shè)置合適的濾波器參數(shù)。在上述信源條件下，設(shè)置巴特沃斯低通濾波器參數(shù)“階數(shù)”為2階，“截止頻率”為200 Hz，此時(shí)解調(diào)輸出序列與基帶信號(hào)序列一致，如圖19所示。16QAM通信系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖15 系統(tǒng)前面板界面圖

圖16 基帶信號(hào)波形圖

圖17 QAM調(diào)制后波形圖

圖18 QAM功率譜圖

圖19 QAM通信系統(tǒng)解調(diào)結(jié)果

調(diào)節(jié)參數(shù)“高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)差”為2，設(shè)置加入信道的高斯白噪聲的功率，模擬信道失真效果。此時(shí)16QAM調(diào)制波形如圖20所示，功率譜如圖21所示，可見(jiàn)，功率譜中疊加了遍布頻譜范圍的高斯白噪聲。經(jīng)5 000次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)比觀察“基帶信號(hào)”和“輸出序列”的差距，可以發(fā)現(xiàn)誤碼率為21%。

圖20 16QAM調(diào)制信道加噪后波形圖

圖21 16QAM調(diào)制信道加噪后功率譜圖

3.2 星座圖遍歷測(cè)試

切換開(kāi)關(guān)“星座圖測(cè)試”。此時(shí)的信號(hào)基帶輸入依據(jù)調(diào)制進(jìn)制的不同而分別遍歷對(duì)應(yīng)進(jìn)制所有信號(hào)矢量點(diǎn)。以64QAM為例，設(shè)置載波參數(shù)“載頻”為250 Hz，“載波采樣率”為10 000 points／s，“采樣點(diǎn)數(shù)”為周期點(diǎn)數(shù)的50 000倍，“高斯噪聲標(biāo)準(zhǔn)差”為0.4 V，“濾波器階數(shù)”為1階，“截止頻率”為100 Hz。得到如圖22所示星座圖。

圖22 64QAM星座圖

4 結(jié) 語(yǔ)

作為現(xiàn)代通信調(diào)制技術(shù)，正交振幅調(diào)制技術(shù)在通信領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用，其概念的抽象需要不斷的實(shí)驗(yàn)來(lái)加深直觀感受。本通信實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檎徽穹{(diào)制通信系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)范例，將實(shí)驗(yàn)重心放在理論公式的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)上，集中體現(xiàn)包含了QAM技術(shù)思想特征“IQ正交”的理論步驟（如“正交映射”），有助于加深學(xué)生對(duì)該技術(shù)的理解；同時(shí)，又在一定范圍內(nèi)給予實(shí)驗(yàn)的自主性和可驗(yàn)證性，除了設(shè)置多個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)，基帶信號(hào)的輸入也是學(xué)生可以自定義的。綜上，本實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究拓展的應(yīng)用價(jià)值。